LeetCode(51):N皇后
Hard!
题目描述:
n 皇后问题研究的是如何将 n 个皇后放置在 n×n 的棋盘上,并且使皇后彼此之间不能相互攻击。

上图为 8 皇后问题的一种解法。
给定一个整数 n,返回所有不同的 n 皇后问题的解决方案。
每一种解法包含一个明确的 n 皇后问题的棋子放置方案,该方案中 'Q' 和 '.' 分别代表了皇后和空位。
示例:
输入: 4
输出: [
[".Q..", // 解法 1
"...Q",
"Q...",
"..Q."], ["..Q.", // 解法 2
"Q...",
"...Q",
".Q.."]
]
解释: 4 皇后问题存在两个不同的解法。
解题思路:
经典的N皇后问题,基本所有的算法书中都会包含的问题,经典解法为回溯递归,一层一层的向下扫描,需要用到一个pos数组,其中pos[i]表示第i行皇后的位置,初始化为-1,然后从第0开始递归,每一行都依次遍历各列,判断如果在该位置放置皇后会不会有冲突,以此类推,当到最后一行的皇后放好后,一种解法就生成了,将其存入结果res中,然后再继续完成搜索剩余所有的情况。
C++解法一:
class Solution {
public:
vector<vector<string> > solveNQueens(int n) {
vector<vector<string> > res;
vector<int> pos(n, -);
solveNQueensDFS(pos, , res);
return res;
}
void solveNQueensDFS(vector<int> &pos, int row, vector<vector<string> > &res) {
int n = pos.size();
if (row == n) {
vector<string> out(n, string(n, '.'));
for (int i = ; i < n; ++i) {
out[i][pos[i]] = 'Q';
}
res.push_back(out);
} else {
for (int col = ; col < n; ++col) {
if (isValid(pos, row ,col)) {
pos[row] = col;
solveNQueensDFS(pos, row + , res);
pos[row] = -;
}
}
}
}
bool isValid(vector<int> &pos, int row, int col) {
for (int i = ; i < row; ++i) {
if (col == pos[i] || abs(row - i) == abs(col - pos[i])) {
return false;
}
}
return true;
}
};
这种棋盘类的题目一般是回溯法, 依次放置每行的皇后。在放置的时候,要保持当前的状态为合法,即当前放置位置的同一行、同一列、两条对角线上都不存在皇后。
C++解法二:
class Solution {
private:
vector<vector<string> > res;
public:
vector<vector<string> > solveNQueens(int n) {
vector<string>cur(n, string(n,'.'));
helper(cur, );
return res;
}
void helper(vector<string> &cur, int row)
{
if(row == cur.size())
{
res.push_back(cur);
return;
}
for(int col = ; col < cur.size(); col++)
if(isValid(cur, row, col))
{
cur[row][col] = 'Q';
helper(cur, row+);
cur[row][col] = '.';
}
}
//判断在cur[row][col]位置放一个皇后,是否是合法的状态
//已经保证了每行一个皇后,只需要判断列是否合法以及对角线是否合法。
bool isValid(vector<string> &cur, int row, int col)
{
//列
for(int i = ; i < row; i++)
if(cur[i][col] == 'Q')return false;
//右对角线(只需要判断对角线上半部分,因为后面的行还没有开始放置)
for(int i = row-, j=col-; i >= && j >= ; i--,j--)
if(cur[i][j] == 'Q')return false;
//左对角线(只需要判断对角线上半部分,因为后面的行还没有开始放置)
for(int i = row-, j=col+; i >= && j < cur.size(); i--,j++)
if(cur[i][j] == 'Q')return false;
return true;
}
};
上述判断状态是否合法的函数还是略复杂,其实只需要用一个一位数组来存放当前皇后的状态。假设数组为int state[n], state[i]表示第 i 行皇后所在的列。那么在新的一行 k 放置一个皇后后:
- 判断列是否冲突,只需要看state数组中state[0…k-1] 是否有和state[k]相等;
- 判断对角线是否冲突:如果两个皇后在同一对角线,那么|row1-row2| = |column1 - column2|,(row1,column1),(row2,column2)分别为冲突的两个皇后的位置
C++解法三:
class Solution {
private:
vector<vector<string> > res;
public:
vector<vector<string> > solveNQueens(int n) {
vector<int> state(n, -);
helper(state, );
return res;
}
void helper(vector<int> &state, int row)
{//放置第row行的皇后
int n = state.size();
if(row == n)
{
vector<string>tmpres(n, string(n,'.'));
for(int i = ; i < n; i++)
tmpres[i][state[i]] = 'Q';
res.push_back(tmpres);
return;
}
for(int col = ; col < n; col++)
if(isValid(state, row, col))
{
state[row] = col;
helper(state, row+);
state[row] = -;;
}
}
//判断在row行col列位置放一个皇后,是否是合法的状态
//已经保证了每行一个皇后,只需要判断列是否合法以及对角线是否合法。
bool isValid(vector<int> &state, int row, int col)
{
for(int i = ; i < row; i++)//只需要判断row前面的行,因为后面的行还没有放置
if(state[i] == col || abs(row - i) == abs(col - state[i]))
return false;
return true;
}
};
C++解法四(解法三的非递归版):
class Solution {
private:
vector<vector<string> > res;
public:
vector<vector<string> > solveNQueens(int n) {
vector<int> state(n, -);
for(int row = , col; ;)
{
for(col = state[row] + ; col < n; col++)//从上一次放置的位置后面开始放置
{
if(isValid(state, row, col))
{
state[row] = col;
if(row == n-)//找到了一个解,继续试探下一列
{
vector<string>tmpres(n, string(n,'.'));
for(int i = ; i < n; i++)
tmpres[i][state[i]] = 'Q';
res.push_back(tmpres);
}
else {row++; break;}//当前状态合法,去放置下一行的皇后
}
}
if(col == n)//当前行的所有位置都尝试过,回溯到上一行
{
if(row == )break;//所有状态尝试完毕,退出
state[row] = -;//回溯前清除当前行的状态
row--;
}
}
return res;
}
//判断在row行col列位置放一个皇后,是否是合法的状态
//已经保证了每行一个皇后,只需要判断列是否合法以及对角线是否合法。
bool isValid(vector<int> &state, int row, int col)
{
for(int i = ; i < row; i++)//只需要判断row前面的行,因为后面的行还没有放置
if(state[i] == col || abs(row - i) == abs(col - state[i]))
return false;
return true;
}
};
下面还有一个算法,这个算法主要参考:https://blog.csdn.net/hackbuteer1/article/details/6657109。看helper函数,参数row、ld、rd分别表示在列和两个对角线方向的限制条件下,当前行的哪些地方不能放置皇后。如下图

前三行放置了皇后,他们对第3行(行从0开始)的影响如下:
(1)列限制条件下,第3行的0、2、4列(紫色线和第3行的交点)不能放皇后,因此row = 101010
(2)左对角线限制条件下,第3行的0、3列(蓝色线和第3行的交点)不能放皇后,因此ld = 100100
(3)右对角线限制条件下,第3行的3、4、5列(绿色线和第3行的交点)不能放皇后,因此rd = 000111
~(row | ld | rd) = 010000,即第三行只有第1列能放置皇后。
在3行1列这个位置放上皇后,row,ld,rd对下一行的影响为:
row的第一位置1,变为111010
ld的第一位置1,并且向左移1位(因为左对角线对行的影响是依次向左倾斜的),变为101000
rd的第一位置1,并且向右移1位(因为右对角线对行的影响是依次向右倾斜的),变为001011
第4行状态如下图

C++解法五(这应该是最高效的算法了):
class Solution {
private:
vector<vector<string> > res;
int upperlim;
public:
vector<vector<string> > solveNQueens(int n) {
upperlim = ( << n) - ;//低n位全部置1
vector<string> cur(n, string(n, '.'));
helper(,,,cur,);
return res;
}
void helper(const int row, const int ld, const int rd, vector<string>&cur, const int index)
{
int pos, p;
if ( row != upperlim )
{
pos = upperlim & (~(row | ld | rd ));//pos中二进制为1的位,表示可以在当前行的对应列放皇后
//和upperlim与运算,主要是ld在上一层是通过左移位得到的,它的高位可能有无效的1存在,这样会清除ld高位无效的1
while ( pos )
{
p = pos & (~pos + );//获取pos最右边的1,例如pos = 010110,则p = 000010
pos = pos - p;//pos最右边的1清0
setQueen(cur, index, p, 'Q');//在当前行,p中1对应的列放置皇后
helper(row | p, (ld | p) << , (rd | p) >> , cur, index+);//设置下一行
setQueen(cur, index, p, '.');
}
}
else//找到一个解
res.push_back(cur);
}
//第row行,第loc1(p)列的位置放置一个queen或者清空queen,loc1(p)表示p中二进制1的位置
void setQueen(vector<string>&cur, const int row, int p, char val)
{
int col = ;
while(!(p & ))
{
p >>= ;
col++;
}
cur[row][col] = val;
}
};
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